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仰望星空:霍金和他的先行者

2018-09-07 09:08:46

  我们快要接近爱因斯坦了。在这之前先说一点关于宇宙和光。中国古人谓:“四方上下曰宇,往古来今曰宙”;东汉天文学家张衡说:“宇之表无极,宙之端无穷”。霍金的论述为:“古老的关于基本上不变的、已经存在并将继续存在无限久的宇宙的观念,已为运动的、膨胀的并且看来是从一个有限的过去开始,并将在有限的将来终结的宇宙观念取代。”国人肖巍著《宇宙的观念》中有包含了中国古代哲学理念的精妙之论:“更概括地说,从混沌中诞生有序的宇宙,有序的宇宙转变为万有的宇宙,而这个万有的宇宙竟创生于‘无’。”老子所谓“有生于无”也。

  宇宙空间之大,天文学以光年计算。光是宇宙间运行速度最快者。1秒钟30万公里的光速眨眼之间便绕了地球7圈又半。光在1年中的潇洒行程约为9.5万亿公里,此即1光年。光的神速是在追寻还是在逃逸?光何时而起?从何而来?爱因斯坦不仅有对光的殚精竭虑的思考,还有绝对非凡的梦想:“如果我赶上了一束光线去看世界,它会是怎样的呢?”爱因斯坦的狭义相对论解释了时间和运动是相对于观察者的,只要光速不变,自然规律在宇宙中是一样的。他的广义相对论则隐伏着无穷机缘。他提出:“引力是由质量存在创造的时空连续体中的一个弯曲场”。自此以后,爱因斯坦广义相对论所预言的那种暗天体,使宇宙科学界浮想联翩。最早想象黑洞并作出具体描述的,是英国剑桥大学学监约翰·米歇尔,1783年,他在《伦敦皇家学会哲学学报》撰文称:一个质量足够大并足够紧致的恒星,会有强大的引力场,以至于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光,还没有到达恒星远处即被恒星的引力吸引回来。

  黑洞术语与蟹状星云

  黑洞这一术语直到1969年才由约翰·惠勒创造。惠勒回忆说:“1969年,我们在纽约阿姆斯特丹大道的太空物理研究所开会。我说,在做最后结论之前,还必须把另一个问题提出来,这就是引力完全坍缩的物体,而你在重复诸如引力完全坍缩物体用词十次之后,就会觉得必须有一个更好的名字,这就是我开始使用‘黑洞’这个术语的缘由。”在霍金去世后,英国《独立报》称“发现黑洞使霍金成为世界上最著名的科学家”。其实发现黑洞的并不是霍金,大爆炸理论亦然,其概念是1927年勒梅特首先提出,他认为宇宙起源于一个“原始原子”。伽莫夫发挥了勒梅特的思想,认为宇宙起源于一个极端高温、极端紧致、极端高密度的原始火球,伽莫夫称之为混沌,这一火球中的物质以基本粒子形态存在。大约180亿年前,这个混沌体发生大爆炸,向外飞散,密度降低;温度降至5500万摄氏度时,中子自动形成质子与电子辐射,使这些微粒结合形成氢原子、核原子等,人类所知的一切元素,都是在大爆炸之后半小时内产生的。

  有新生的光。

  也有正在消散的光。

  在恒星爆炸之后出现的中子星,也许还不是星星之历程的必然的最后一步。一颗质量比太阳大十倍的恒星,其风烛残年、黑洞的形成及相关探讨因为霍金而更为完善了:“当恒星耗尽其核能,那就没有东西可维持其向外的压力,恒星由于自身的引力开始坍缩。随着恒星收缩,表面上的引力场就变得越来越强大,而逃逸速度就会增加……其结果就是一个黑洞,这是时空的一个区域,在这个区域不可能逃逸到无穷远。”

  更通俗地说,大爆炸时抛出的大量物质会形成弥漫的星云。

  位于金牛座的“蟹状星云”就是一颗恒星爆炸后的残骸。从太空拍摄的这一星云的图片上可以看到,这是一团极大的膨胀中的云,由剧烈骚动的气体构成。这些星云残骸美丽而迷人,它因本身发光的氢和氮的细丝状结构而呈现橘红色,星云内部由磁场中的自由电子照明。1054年7月4日,人类初见“蟹状”星云时,其光芒明亮闪烁,观星者以为天上出现了一颗极大的新星,两年后星光黯淡渐至消退。1731年,天文学家用更高倍的望远镜寻找、观察,并认定这是大约九百年前一次天体灾难的残星余云。

  最早证实位于金牛座的“蟹状星云”乃一颗恒星爆炸后之残骸的,是中国古代天文记录。《宋史》:“宋仁宗至和元年五月乙丑,客星出天关,东南可数寸,岁余稍没。”“天关”即金牛座也。《宋会要》记:“至和元年,伏睹客星出见,其星上微有光彩,黄色。”《宋会要辑稿》更为详明:“至和元年五月,晨出东方,守天关昼见如太白,芒角四出,色赤白,凡见二十三日。”1928年,美国天文学家哈勃指出:“蟹状星云”就是中国古籍所记载的芒角四出的“客星”爆发后的遗迹,国际天文学界据此也称之为“中国新星”。

  有新生的光。

  有消散的光。

  宇宙的奥秘就是光。

  中国古人对天文的了解,明朝末年学者顾炎武先生说:“三代以上,人人皆知天文。七月流火,农夫之辞也;三星在天,妇人之语也;月离于毕,戍卒之作也;龙尾伏辰,儿童之谣也。”

  这在某种程度上可以解释,为什么康德、伽利略、爱因斯坦、霍金等探寻宇宙星云者,在中国得到了如此之多的尊敬和共同语言。

  霍金与梵帝冈:上帝住哪儿?

  1975年,梵蒂冈罗马教廷把“庇佑十二世奖章”颁发给霍金,他与好友白纳德·卡尔一起飞往罗马。白纳德·卡尔写道:“那是一个非常动人的场合,在正常情况下,得奖的人必须走到教宗面前去接受奖章。可是因为霍金不能走路,教宗便走到霍金面前。这是一个历史性的时刻,教会——尤其是天主教会和宇宙学之间一向有矛盾,这可追溯到伽利略时代,而霍金对伽利略有极大的亲切感。”(《时间简史续编》)在同一本书里,霍金记录的是1981年梵帝冈召开宇宙学会议时,“我又重新唤起了对宇宙开端和命运问题的兴趣,之后我们受到教皇的召见”。霍金平静地记录下了这次会见:“教皇告诉我们,研究宇宙在大爆炸以后的演化是可以的,但是由于大爆炸本身是创生的时刻,因而是上帝的事务,所以我们不应该去询问那个时刻本身。”

  就在梵帝冈的这次宇宙学会议上,霍金提出了《宇宙的边界条件》的论文,认为:“空间和时间在范围上有限,但是自己包容起来,而没有边界或边缘,正如地球的表面面积是有限的,却没有边界或边缘一样。”霍金并且风趣地说:“在我所有的旅行中,我从未从世界的边缘掉下去。”“只要宇宙有一个开端,我们就可以设想有一位造物主。但是,如果宇宙确实是完全自足的,那还会有造物主的存身之处吗?”“或许没有天堂,也没有来世。我们只有今生来欣赏宇宙的伟大设计。为此,我非常感激。”作为剑桥大学卢卡斯数学教授,霍金对“统一理论”进行了研究,该理论是从爱因斯坦开始追寻的物理学的伟大目标。他在《时间简史》中写道:“一个圆满、前后一致的统一理论仅仅是第一步,我们的目标是对我们周边的事物和我们自身的存在,获得彻底的理解。”也就是说,霍金试图“找到一个‘万物理论’,将让人类‘明白上帝的心’”。后来,霍金又提出,统一理论或许并不存在。

  霍金的思想在漫步星云时灵光四射,他有时也否定自己、纠正自己,倘非如此,霍金还是霍金吗?

  《时间简史》及“说话和倾听”

  1988年,霍金失语3年后,写成《时间简史:从大爆炸到黑洞》。这本著作被翻译成40多种语言,成为一时无两的国际畅销书。世界争说轮椅上的霍金。霍金以较为通俗的语言告诉我们:大爆炸乃宇宙的开始亦即时间的开始,而黑洞则是恒星之死。事实上,黑洞甚至不是很黑,人掉进黑洞会变成意大利面条,最终黑洞甚至会消失。英国《金融时报》3月14日称,霍金对宇宙学的许多重大问题,尤其是20世纪物现学的两个伟大理论相对论和量子力学的统一作出了重要贡献。西方世界反复询问的另一个问题是:霍金为什么如此迷人?

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来源:光明日报
编辑:姚怡梦

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